При внезапном перекрывании воды, давление в трубе возрастает на величину pva, где р – плотность жидкости или газа, v – скорость течения и а – скорость звука. Скорость звука в трубе с водой равна 1400 м/с, поэтому именно с такой скоростью будет распространяться повышенное давление по трубопроводу. Если где-то обнаружиться непрочный участок трубы, он будет прорван. Газ, в сравнении с жидкостью, имеет гораздо меньшую плотность, да и скорость звука в нём в несколько раз меньше, поэтому газ, даже находящийся под большим давлением, не может создать удар, подобный гидравлическому.

Гидравлический удар может быть направлен и в обратную (от заслонки) сторону. Это произойдёт, если резко перекрыть воду, поток которой достаточно протяжённый. Жидкость, двигаясь по инерции, оторвётся от заслонки, а пространство между заслонкой и жидкостью заполниться водяным паром под очень низким давлением (сродни вакууму). В конечном итоге, поток жидкости под действием внешнего давления затормозится, остановится и с нарастающей скоростью двинется в противоположном направлении.

Гидравлический удар может также сыграть полезную роль. Если повреждение уже имеется, отыскать его расположение поможет небольшой гидравлический удар. Он создаст волну, бегущую по трубопроводу, которая, отразившись от места повреждения, вернётся через некоторое время. По этому времени легко определить расстояние до повреждённого участка.

Явления в пограничном слое.

В случае течения указанного вида по длинной трубе влияние стенок на характер течения распространяется и на центральную часть трубы. В случае же обтекания тела средой замедляющее действие вязкого сдвига вдоль поверхности тела (на которой скорость равна нулю) обычно распространяется в окружающую среду лишь на сравнительно небольшое расстояние. Относительная толщина этого т.н. пограничного слоя зависит от числа Рейнольдса, составленного из относительной скорости, плотности и вязкости текучей среды и расстояния от рассматриваемой точки до передней кромки тела. При малых значениях Re пограничный слой будет ламинарным, но течение становится неустойчивым по отношению к малым возмущениям, когда Re приближается к 4×106, а после этого развивается турбулентность. Вязкий сдвиг вдоль граничной поверхности теперь аналогичен перепаду давления вдоль трубы и точно так же зависит от числа Рейнольдса. Полная сила сопротивления течению FD, создаваемая участком поверхности длиной L и шириной B, дается выражением

где Cf – коэффициент сопротивления, зависящий от Re = VLr/m и от шероховатости поверхности. Для гладкой поверхности Cf = 1,33/Re1/2, если пограничный слой ламинарный, и Cf = 0,074/Re1/5, если пограничный слой полностью турбулентный. Это соотношение играет очень важную роль в расчетах сопротивления крыла и фюзеляжа самолета, а также корпуса речного или морского судна. Теория пограничного слоя разработана Л.Прандтлем (1875–1953).

Наряду с поверхностным сопротивлением, возникающим в пограничном слое, в этом слое наблюдается еще одно важное явление – отрыв течения от стенки при резком изменении ее геометрии. Вязкая текучая среда при больших числах Рейнольдса не следует точно за изломом стенки и не смыкается без возмущений даже позади хорошо закругленного тела, например сферического. Для предотвращения отрыва потока задней части тела придают обтекаемую форму и точно так же сглаживают (профилируют) трубу переменного диаметра (сопло Лаваля). Явление отрыва связано с высокими градиентами давления и скорости течения в пограничном слое, и такая тенденция заметно ослабевает, если отводить текучую среду из пограничного слоя. Поэтому, в частности, предусматривают прорези на крыльях и фюзеляже самолета для слива пограничного слоя.

Отрыв потока, вообще говоря, нежелателен, поскольку он обычно возникает в точках максимальной скорости и, следовательно, минимального давления, после чего это низкое давление доминирует во всей зоне отрыва ниже по течению. В результате течение воздействует на поверхность тела (стенку) с некоторой силой, добавляющейся к поверхностному сопротивлению (создавая «сопротивление формы», обусловленное повышенным давлением спереди обтекаемого тела и пониженным – сзади), а энергия течения «непроизводительно» расходуется на интенсивную турбулентность, возникающую в неустойчивой зоне отрыва. Для погруженных в поток тел сочетание поверхностного сопротивления и сопротивления формы дает полную силу сопротивления движению, зависящую, таким образом, от формы тела и от числа Рейнольдса, а именно, если обозначить площадь поперечного сечения тела через A:

Для сферы при малых числах Рейнольдса (менее 1) формула Стокса принимает вид CD = 24/Re; при Re £ 105 пограничный слой является ламинарным и CD = 0,5; при Re £ 106 пограничный слой становится турбулентным и CD = 0,2. Для парашюта сопротивление должно быть максимальным и CD = 1,3, тогда как для высокоскоростного самолета коэффициент CD может составлять лишь 0,05.

Вихревые колебания.

В случае удлиненных тел, скажем цилиндрических, закономерности сопротивления среды оказываются примерно такими же, как и для сфер, но, кроме того, происходят поперечные колебания зоны отрыва течения. Поскольку при этом зона пониженного давления оказывается то с одной, то с другой стороны от направления движения (вихревая дорожка фон Кармана), на тело действует не только продольная сила лобового сопротивления, но и переменная поперечная сила. Этим объясняются вибрация перископов высокоскоростных подлодок и гудение проводов при сильном ветре. Частота такой вибрации тоже зависит от числа Рейнольдса; например, для цилиндра при Re = 105 и ламинарном пограничном слое период колебаний t определяется равенством Vt/D = 5; когда же пограничный слой становится турбулентным, этот численный множитель уменьшается в два раза.

Плоская поверхность.

 Сходную поперечную силу отрыв потока вызывает в случае плоской поверхности, наклоненной, подобно воздушному змею, относительно направления течения, но в этом случае боковая сила не меняет периодически своего направления. На тонкую пластину, находящуюся в потоке под углом атаки к нему, также действует заметная сила сопротивления, обусловленная понижением давления в зоне отрыва, но эту силу можно существенно уменьшить (при одновременном увеличении поперечной силы), если придать пластине утолщенный профиль, закругленный спереди и слегка искривленный («вогнуто-выпуклый»). Такое тело, называемое аэродинамической поверхностью или попросту крылом, создает подъемную силу, за счет которой летают самолеты (теория крыла разработана русскими учеными Н.Е.Жуковским (1847–1921) и С.А.Чаплыгиным (1869–1942)), а в виде подводного крыла используется на скоростных речных и морских судах. Искусство проектирования таких профилей достигло столь высокого уровня, что легко обеспечиваются подъемные силы, в 30 и более раз превышающие лобовое сопротивление

Сила, действующая на крыло (или руль) в потоке, дается выражением:

где s – размах (длина), а c – хорда (ширина) крыла. При больших числах Рейнольдса величина CL зависит практически только от формы и угла наклона профиля; приемлемой величиной для крыла можно считать CL = 0,5 .

Поверхности другой формы.

Поверхности, создающие подъемную силу, используются в конструкциях крыла самолетов и других скоростных судов; на основе тех же принципов проектируются лопасти воздушных и гребных винтов, лопатки и лопасти рабочих колес турбин, насосов, компрессоров, гидродинамических передач. В испытаниях устройств и машин такого рода определяют коэффициенты тяги, всасывания, мощности (гребного винта), напора и подачи, аналогичные коэффициентам подъемной силы и лобового сопротивления для аэродинамической поверхности. Всякий такой коэффициент зависит от формы поверхности и от числа Рейнольдса, при котором она должна работать, и оценка этих коэффициентов по данным модельных экспериментов производится на основе тех же самых законов подобия. Важное значение имеет то обстоятельство, что рабочие характеристики любой модели можно, исходя из соображений удобства, изучать как в воде, так и в воздухе независимо от назначения проектируемого устройства при условии, что воспроизводится число Рейнольдса и другие определяющие критерии.

Сжимаемость.

Хотя сжимаемость (или ее обратная величина – упругость) является свойством, которое, строго говоря, выводит нас за рамки гидроаэромеханики, ее, по крайней мере при упрощенной постановке задачи, приходится учитывать по соображениям двоякого рода. Во-первых, реальные жидкости и газы представляют собой упругие среды, и звуковые волны распространяются в них со скоростью, которая вычисляется по одной и той же формуле. Если скорость звука обозначить через с, а модуль упругости – через E, то формула запишется в виде

(Скорость звука с в воздухе составляет 335, а в воде – около 1430 м/с.) Если течение в трубопроводе резко перекрыть краном или задвижкой, то возмущение от остановки течения будет распространяться вверх по трубопроводу со скоростью звука, причем уменьшение скорости среды позади такой волны возмущения будет сопровождаться заметным повышением давления. В случае жидкости повышение давления при внезапном перекрытии трубопровода может быть очень большим, и пики давления при взаимодействии прямой и обратной волн представляют собой опасный эффект, называемый гидравлическим ударом. Явление распространения звука в воде, как и в воздухе, имеет и свои полезные стороны – на этом основаны гидролокация и аппаратура для обнаружения подлодок.

Во-вторых, сжимаемость приходится учитывать и по той причине, что именно этим свойством определяется возможность анализа жидкости и газа на основе одних и тех же принципов. Критерием при этом служит отношение скорости течения к скорости упругой волны, т.е. к скорости звука в данной среде:

Этот критерий называется числом Маха. (Отметим, что число Маха аналогично числу Фруда, так как последнее есть отношение скорости течения к скорости гравитационной волны.) До тех пор пока величина М мала (£ 0,5), влияние сжимаемости незначительно. Когда же число Маха приближается к единице, картина течения существенно изменяется в связи со звуковыми эффектами. Например, коэффициент лобового сопротивления снаряда со сферической головной частью зависит только от числа Рейнольдса, пока число Маха не превысит 0,5; после этого он постепенно возрастает и приблизительно удваивается, когда число Маха становится больше единицы, вследствие образования звуковых волн (скачков уплотнения) в зоне сжатия непосредственно перед снарядом. Подобно тому как носовой части быстроходных судов придают заостренную и тщательно спрофилированную форму для уменьшения носовой волны и, следовательно, волнового сопротивления, заостряют высокоскоростные снаряды и носовые части и передние кромки крыльев самолетов, чтобы уменьшить потери в скачках уплотнения, а тем самым уменьшить сопротивление, связанное со звуковыми эффектами. О больших энергетических потерях, обусловленных образованием звуковых волн, можно судить по тому шуму, который создают воздушные винты самолетов, и по пронзительному звуку, которым сопровождается полет снарядов и ракет.

Аналогии между течением жидкости и газа.

 Тесная аналогия между процессами образования волн «маховского» и «фрудовского» типов дает возможность исследователям, работающим в обоих этих направлениях, собирать ценные плоды, выращенные на общей почве гидроаэромеханики. Так, анализ картины звуковых волн, примененный к картине гравитационных волн в сбросных противопаводковых каналах, позволил существенно усовершенствовать планировку таких каналов. И наоборот, исследования высокоскоростных моделей в сверхзвуковых аэродинамических трубах обычно дополняются исследованиями в буксировочных опытных бассейнах и гидродинамических лотках, где картину волн, создаваемых такими телами, можно изучать визуально. Наряду с такой аналогией между течением жидкостей и газов имеется и различие, которое, однако, тоже служит полезной цели как основа для сравнения. Когда скорость газа в какой-либо точке достигает скорости звука, в этой точке, как уже говорилось, может возникнуть звуковая волна. Скорость жидкости из-за практических ограничений вряд ли когда-либо сможет приблизиться к скорости звука, но в жидкости существует предел, налагаемый давлением насыщенного пара самой жидкости, для понижения давления, связанного с увеличением скорости. Когда скорость жидкости сильно возрастает в какой-либо ее точке, вследствие соответствующего снижения давления жидкость в этой точке вскипает. Это явление называется кавитацией. Быстрое образование тотчас же при повышении давления схлопывающихся пузырьков пара приводит не только к снижению коэффициента полезного действия насосов и гребных винтов, но и к их механическому повреждению и разрушению, если такой процесс продолжается достаточно долго. Аналогия же с течением газа кроется здесь в том, что зоны, опасные для обтекаемого тела, одинаковы как при образовании звуковых волн в воздухе, так и при возникновении кавитации в воде. Но кавитацию легко наблюдать по помутнению прозрачной воды (появлению в ней пузырьков), тогда как для наблюдения звуковых волн необходимо специальное оптическое оборудование. Поэтому модели, для которых существенны звуковые эффекты в воздухе, часто испытывают на кавитацию в гидродинамических трубах, что позволяет усовершенствовать конструкцию и устранить многие опасные зоны.

Заключение.

На мой взгляд, не стоит в очередной раз перечислять те законы, явления и приводить уже освещённые мной формулы. Подводя итог изложенному, остановлюсь на суммировании тех понятий, которые были описаны ранее и постараюсь логически обосновать их значимость для науки и в повседневной жизни.

Как известно, наука имеет свои характерные отличительные черты. Она:

1.     универсальна

2.     фрагментарна

3.     общезначима

4.     обезличена

5.     систематична

6.     незавершённа

7.     преемственна

8.     критична

9.     достоверна

10. внеморальна

11. рациональна

12. чувственна

Кроме того, для науки характерны свои особые методы и структура исследований, а так же язык и аппаратура. Всем этим определяются специфика научного исследования и значение науки.

Отправной точкой для каждого научного исследования и дальнейшего открытия служит обычный эмпирический факт. В случае с гидроаэромеханикой это может быть факт полёта птиц или пересекающий океан кокосовый орех.

Далее, следует определённый метод исследования именуемый наблюдением. Зачастую, процесс наблюдения требует привлечения аппаратуры и других вспомогательных средств. В отношении точных наук, таких как механика, помимо голых фактов необходимо всё предшествующее  знание, касающееся данной проблемы, прежде всего – знание принципов механики (трёх законов Ньютона).  Роль наблюдения заключается в том, чтобы подтвердить эмпирический факт путём проверки справедливости этого явления относительно других аналогичных объектов (остальных птиц, например).

Убедившись в том, что некоторые предметы могут плыть, а птицы летать, неминуемо задаёшься вопросами «как?» и «почему?». Это ведёт к выдвижению определённой гипотезы,  для подтверждения (или опровержения) которой можно провести эксперимент. Существует множество разновидностей эксперимента: от мысленного (когда объекты вымышлены, а сам экспериментальный процесс проводиться в уме), до модельного (когда эксперимент проводится с помощью моделей, размеры и масса которых пропорционально уменьшены по сравнению с реальными телами). В зависимости от исследуемого объекта, возможен эксперимент с идеализациями, т.е. идеальными представлениями (идеальная жидкость). Чтобы из наблюдения различных явлений сделать общие выводы, надо установить количественные зависимости между различными величинами – физические законы. Установленные физические законы избавляют от необходимости проводить опыт в каждом конкретном случае. Отличительной особенностью научного эксперимента является то, что его должен быть способен воспроизвести каждый исследователь в любое время. Если гипотеза подтверждается экспериментами и проходит испытание принципом фальсифицируемости – можно судить о её достоверности и перевести данную гипотезу в разряд теорий.

Механика жидкости и газа является особым разделом физики. Как уже говорилось ранее, в основу её входят несколько основных законов. Эти законы актуальны не только по отношению к рассмотренным фазам вещества, но и  для твёрдых тел (правда, с небольшими «подгонками» под физическую суть этих тел).  Для наибольшего удобства и краткости, законы отражены в математических формулах – языке науки. На основе этих законов созданы различные механизмы, которыми окружил себя человек. Механизмы сильно облегчают и ускоряют процессы производства, да и физический труд человека как таковой. Лишь благодаря достижениям в области точных наук стало возможным освоить то, что было недосягаемо для человека ранее. Это глубины океана, возможность передвижения в атмосфере, полёты в космос и многое другое. И наука не стоит на месте. С каждым днём учёные приближают нас на шаг ближе к познанию жизни. Полностью познать Вселенную, конечно, невозможно, но осмыслить то, что доступно человеку со временем неминуемо.

Список использованной литературы.

1.          Энциклопедия «Аванта+», Т. 16 (I, II части)  - М.: Аванта+, 2001г.

2.          Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев «Физика»  - М.: Просвещение, 1997г.

3.          И. К. Кикоин, А. К. Кикоин «Физика»  - М.: Просвещение, 1992г.

4.          О. К. Костко «Механика».  –М.: Лист, 1998г.

5.          Н. А. Эрдеди, А. А. Эрдеди «Теоретическая механика, сопротивление материалов».  –М.: Высшая школа,2002г.

6.          Интернет ресурсы.

Страницы: 1, 2, 3